Hitachi Powdered Metals Alcança Crescimento de 400% na Produção com Robótica em Mercado de Trabalho Apertado

A Metalurgia do Pó (PM), ou sinterização, é o processo de compactar misturas personalizadas de pós elementares ou de liga em matrizes pré-fabricadas para fabricar eficientemente peças de máquinas de complexidade variada. Uma vez compactadas, as formas são aquecidas em um forno de atmosfera controlada para ligar as partículas e endurecer as peças.

Também conhecida como compactação verde, o processo produz componentes near-net que tipicamente usam mais de 97% da matéria-prima inicial na peça final. Misturas personalizadas de ligas em pó fornecem a capacidade de produzir peças complexas, até mesmo intrincadas, que atendem às especificações de resistência e tolerância exigidas para aplicações altamente demandantes.

A planta da Hitachi Powdered Metal (USA) Inc. em Greensburg, Indiana, é uma de nove instalações semelhantes da Hitachi no mundo. Ela se especializa na produção de componentes de trem de válvulas e transmissão para fornecedores automotivos de nível 1 nos EUA, com presença crescente entre fabricantes de motocicletas e equipamentos de paisagismo.

Motivação Inicial

A Hitachi Powdered Metals (HPM) começou um investimento gradual em robôs industriais na planta de Greensburg em 2005, impulsionada pelo surgimento de um mercado de trabalho mais apertado e a oportunidade de produzir um produto extremamente frágil.

"Começamos com robôs porque tínhamos uma peça para fazer para um cliente que tinha dentes pequenos e frágeis que não podiam ser manuseados manualmente, e naquele momento todas as nossas prensas de compactação eram operadas manualmente", disse Gregory Owens, presidente da planta HPM Greensburg. "Reduzir custos de mão de obra também era um fator, mas logo após a primeira instalação, um grande OEM automotivo abriu uma instalação de manufatura na cidade, e nosso problema de custo de mão de obra se transformou em um problema de disponibilidade de mão de obra, pois tornou-se extremamente difícil contratar e reter funcionários."

Em um esforço para manter custos baixos e minimizar qualquer exposição durante o período de teste inicial, a HPM comprou um robô ABB S3 usado, vintage 1993, da CIM Systems Inc. em Noblesville, Indiana, nas proximidades. James Adams, que ingressou na HPM vários anos antes como engenheiro de desenvolvimento de manufatura, estava familiarizado com a CIM, o mais antigo Value Provider de Robótica ABB (ou seja, integrador de sistemas) nos EUA, por seu trabalho com robôs em seu empregador anterior.

"A CIM tinha um robô usado que nos permitiria entrar na automação robótica gradualmente, limitando nossa exposição inicial caso não funcionasse como pretendido", disse Adams. "Eles também nos forneceram suporte muito necessário com programação e integração do sistema na operação existente."

Redução de Sucata, Melhor Alocação de Mão de Obra

Quando as peças de metal em pó saem da prensa, antes de serem endurecidas no forno, elas podem facilmente se desmanchar com o toque mais leve. Com o robô recém-instalado, com uma garra eletromagnética para manusear a peça, a taxa de sucata do novo produto caiu de 11% na operação manual para 0,5%.

"Quando as peças eram puxadas manualmente da prensa, havia danos consideráveis de manuseio. A peça podia ser imperceptivelmente deformada, mas você não saberia até que saísse do forno cinco horas depois. Programados e equipados adequadamente, robôs são muito mais suaves no manuseio das peças", disse Adams.

O novo sistema permitiu que a HPM movesse vários operadores manuais de máquinas para posições menos monótonas na planta, reduzindo o estresse de uma tarefa repetitiva e realocando a mão de obra de forma mais eficiente.

Produção Aumenta 400%

Ao longo do ano seguinte, a HPM adicionou mais cinco robôs S3 usados, aplicando o que aprendeu do sistema inicial para automatizar outras prensas de compactação. Após 18 meses, a HPM economizou o suficiente em sucata e mão de obra para investir em seu primeiro robô novo.

Avançando para 2019. Agora com mais de 200 robôs instalados, a instalação de Greensburg tem o mesmo número de funcionários de 10 anos atrás, mas produz quatro vezes o volume, entregando facilmente mais peças com menos pessoas do que qualquer uma das plantas globais de PM da Hitachi.

"Uma vez que o primeiro robô foi instalado para a peça frágil, tornou-se muito óbvio que poderíamos realmente aproveitar a automação robótica adicional", disse Owens. "Robôs superaram em muito nossas expectativas iniciais, e com as escassezes de mão de obra que continuamos a enfrentar, francamente acredito que robôs nos salvaram de potencialmente não existir."

Com o sucesso do primeiro robô, o ritmo de instalações subsequentes foi constante. Levou dez anos para atingir 100 robôs instalados, e então, à medida que os negócios e a economia continuaram a melhorar, apenas mais quatro anos para atingir o 200º robô recentemente instalado.

Quando as oportunidades surgiram, a HPM continuou a comprar robôs ABB usados em boas condições, embora cada vez mais robôs novos fossem adicionados à frota. De fato, todo robô adicionado desde o #147 em 2015 foi novo.

A base de instalação da HPM inclui uma variedade de robôs ABB de seis eixos de pequeno e médio porte, um robô Delta e vários modelos SCARA adicionados recentemente. Juntos com 350 funcionários, o investimento em automação é bem utilizado, operando três turnos, cinco a seis dias por semana.

"Nossa sede corporativa está no Japão", disse Adams. "Uma vez que viram como os robôs performaram e o rápido retorno sobre investimento, foram muito favoráveis à nossa agenda robótica."

Alguns dos robôs, tanto novos quanto usados, são ABB Foundry Prime da ABB Robotics, Auburn Hills, Michigan. São modelos com classificação IP67 que têm conexões bem vedadas que protegem o funcionamento interno dos robôs dos finos pós metálicos com arestas afiadas que flutuam pela atmosfera da planta. Os muitos modelos padrão de robôs com classificação IP65 no chão da HPM são robustos e conseguiram suportar o ambiente empoeirado.

Expansão Contínua

A proliferação de robôs na HPM foi apoiada pela replicação de aplicações existentes e expansão da automação para outras funções na instalação.

Após a instalação do primeiro robô atendendo a prensa de compactação para o produto mais frágil, Adams e sua equipe automatizaram sequencialmente a remoção dos compactos de outras prensas. Parte deste processo era colocar cada peça em uma balança para verificar sua integridade. Uma vez verificada, a peça era colocada em uma esteira levando ao forno.

Eficiências adicionais de mão de obra resultaram, e, com o toque delicado do robô, a taxa de sucata das peças menos frágeis caiu de 7% para os mesmos 0,5% da peça inicial.

No final da esteira, as peças são colocadas em bandejas de sinterização que, quando cheias, são colocadas em fornos para o processo de endurecimento. Este processo de carregamento do forno tornou-se a segunda função principal a ser automatizada.

Continuando em um ritmo medido, robôs foram então instalados para retirar as peças das bandejas e colocá-las em paletes, enquanto também inseriam divisores entre cada camada de palete.

"À medida que nos familiarizamos mais com robôs, pegamos o que aprendemos e duplicamos aplicações pela instalação", disse Adams. "A programação tornou-se muito mais fácil, e no último dia de instalação da linha, ajustávamos programas existentes, copiávamos e colávamos e estávamos operando em poucas horas."

O RobotStudio, software de simulação e programação offline da ABB, tornou-se uma ferramenta valiosa para acelerar a crescente adoção de tecnologia robótica pela HPM. Construído no ABB VirtualController, uma cópia exata do software real que roda robôs em produção, o RobotStudio realiza simulações realistas, usando programas de robô e arquivos de configuração idênticos aos usados no chão de fábrica. Com o RobotStudio, Adams pôde projetar o layout ideal da célula e verificar seu desempenho antes de integrar os robôs em uma operação específica.

"É o melhor software já desenvolvido", disse Adams. "Economiza tempo e dinheiro tanto na criação de sistemas para novas aplicações quanto na replicação daqueles que já instalamos em outras áreas da planta."

Introdução da Visão

A relativa simplicidade da replicação existe apenas após uma certa aplicação ter sido instalada e refinada no chão de fábrica. Novas aplicações são frequentemente mais desafiadoras. Após 18 meses e a integração bem-sucedida de seis robôs de atendimento de prensa, a HPM teve a confiança para adotar tecnologia habilitada para visão, em sua infância na época (2006), para automatizar roboticamente a complexa operação de cunhagem, ou reprensagem.

Após saírem do forno, as peças frequentemente empenam, o que requer que sejam colocadas em uma prensa que as cunhe de volta para ficar retas ou planas. Muitas peças têm chavetas ou dentes que precisam ser colocados no molde com todos os aspectos alinhados precisamente. Antes da chegada dos robôs, as peças sendo cunhadas eram manuseadas por um sistema de automação rígida que, com muitas variações de produto diferentes, exigia trocas frequentes e demoradas. As trocas eram tão longas que backups de 250 lotes de produto, cada um com aproximadamente 100 peças, eram comuns.

Com o robô habilitado para visão, não há tempo de inatividade. O robô é capaz de identificar a peça de um grupo de muitas peças diferentes, pegá-la, orientá-la radialmente e posicioná-la com precisão na reprensagem.

Como o sistema de visão precisava interagir com a mais recente tecnologia de robô, este foi o primeiro robô ABB novo instalado na instalação de Greensburg. Logo após estar operando, mais dois robôs novos foram comprados para a mesma aplicação.

"Antes da instalação do robô da estação de cunhagem, a equipe de reprensagem trabalhava todos os dias", disse Adams. "Seis meses após o primeiro robô de visão ser instalado, não havia mais backups e a equipe tinha seus fins de semana de volta!"

Mais Visão

A HPM usou visão novamente mais adiante no último dos principais processos a ser automatizado, a despaletização de peças que haviam sido enviadas para tratamento térmico especializado. Embora as peças sejam enviadas posicionadas ordenadamente em camadas em um palete, elas voltam em relativa desordem e são difíceis de desempilhar. Um robô ABB com visão integrada consegue encontrar as peças e segurá-las com segurança para que possam ser despaletizadas com segurança.

"Essa é uma das capacidades únicas dos robôs ABB", disse Dave Fox, presidente da CIM Systems, que ajudou a integrar os vários sistemas de visão. "As peças estão realmente desorientadas nos skids, não em fileiras uniformes, com algumas de cabeça para baixo. Um robô típico de seis eixos teria todos os tipos de problemas de singularidade, entrando em uma posição onde não pode mais se mover. Mas o robô ABB usando evasão avançada de singularidade consegue encontrar as peças, pegá-las e colocá-las com segurança em uma esteira sem perder o ritmo."

Robôs SCARA para Inspeção de Qualidade

Não surpreendentemente, uma busca recente por um sistema mais eficiente para inspecionar guias de válvulas levou de volta a robôs, neste caso um grupo de modelos ABB SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm), tipicamente usados para montagem de peças pequenas e manuseio de materiais.

O protocolo da HPM exige inspeção de 100% de todos os guias de válvulas, o que é uma tarefa considerável dada a variedade de peças que devem ser testadas: 30 variações de tamanho diferentes e 16 pontos de detecção para cada peça. Com o sistema de teste de automação rígida prevalecente incapaz de acompanhar suficientemente o volume, Adams começou a buscar um sistema melhor.

Após analisar várias opções, todas com muitas partes móveis e exigindo engenharia complexa, Fox sugeriu projetar um sistema em torno dos robôs SCARA, que a ABB adicionou ao seu portfólio em 2016. Eram certamente rápidos o suficiente, com grande repetibilidade, e tinham uma pegada pequena e uma forma de montagem desimpedida que cabia em um espaço confinado.

Um sistema relativamente simples foi projetado com três robôs SCARA pegando guias de válvulas individuais de uma esteira alimentadora e apresentando-os a câmeras de visão e um "comparador" estacionário nos vários ângulos necessários para acessar os 16 pontos de detecção. As peças que passavam eram colocadas em uma esteira e as que não passavam eram colocadas em bandejas de rejeito.

Com a flexibilidade de manipular destremente cada variação de peça diferente com facilidade semelhante, o sistema consegue inspecionar uma peça a cada dois segundos, 30% mais rápido que o método anterior. Como os movimentos são confinados a uma curta distância e as peças são muito leves, um robô de seis eixos não funcionaria tão efetivamente quanto o SCARA elegante e de alcance limitado.

"Os SCARAs são uma ótima adição ao portfólio da ABB. Se não fosse por essa solução, a Hitachi provavelmente teria que buscar outra tecnologia para inspeção de peças", disse Fox. "Foi bom conseguir encontrar outra aplicação para robôs, mesmo que não fosse a primeira opção que veio à mente."

CIM Systems Sempre Presente

Uma constante que esteve em cena desde o primeiro robô instalado na HPM até os dias atuais, seja em primeiro plano ou nos bastidores, é a CIM Systems. Sempre disponível quando necessário, a CIM configurou a HPM com robôs novos e usados, ajudou a programar e solucionar problemas, e talvez o mais importante, ensinou a equipe da HPM a fazer muitas coisas por si mesmos.

Quando a HPM integrou robôs em uma nova aplicação, com visão ou não, a CIM fez a configuração e programação, sempre tendo o cuidado de compartilhar sua expertise, incluindo uso do RobotStudio. Durante as ocasionais pausas no cronograma de aquisição de robôs da HPM, a CIM estava disponível para atualizar programas, encontrar peças de reposição difíceis para modelos mais antigos, ou oferecer conselhos sobre trabalhar com robôs em uma variedade de vintages.

"À medida que atingíamos cada um dos diferentes processos, tínhamos a CIM fazer a integração e programação inicial. Uma vez que começamos a replicar processos pela planta, aprendemos o suficiente para fazer muito nós mesmos", disse Adams. "Por causa de seu relacionamento próximo com a ABB, Dave Fox sempre sabe quando nova tecnologia está chegando e quais robôs seriam ideais para nossas várias aplicações. O suporte que recebemos da CIM Systems e o serviço da ABB foi uma combinação ideal."

Com um relacionamento tão duradouro, não é surpresa que quando o primeiro robô saiu da linha na instalação de manufatura da ABB nos EUA em Auburn Hills em 2017, foi comissionado pela CIM na HPM. O robô IRB 2400 único foi pintado personalizado em vermelho, branco e azul na fábrica, e está posicionado proeminentemente na instalação da HPM, realizando tarefas de inspeção e paletização.

"Estamos entusiasmados por termos conseguido adquirir o primeiro robô fabricado nos EUA para a HPM", afirmou Fox. "É especialmente significativo porque a planta de Indiana tem a automação mais flexível das muitas instalações globais da HPM."

Suporte a Outras Instalações HPM

A gestão corporativa da HPM no Japão notou as grandes melhorias de produtividade que a equipe de Greensburg alcançou com robôs, e em 2017 designou Adams e Owens para liderar uma iniciativa de "Robótica Global" para apoiar as outras plantas de metal em pó da Hitachi ao redor do mundo a expandir seu uso de robôs.

O programa de dois anos passou do ponto médio e as empresas afiliadas estão começando a perceber melhorias significativas de produtividade, mesmo com custos de mão de obra mais baixos nos outros países.

Adams configurou a função de Monitoramento Remoto da ABB na HPM para que ele ou membros de sua equipe possam ver como os robôs estão operando e solucionar a maioria dos problemas de qualquer lugar fora da fábrica em um laptop, tablet ou smartphone. Com os robôs mais novos, a HPM espera aproveitar os Serviços Conectados ABB Ability – a oferta digital unificada, transversal e industrial da ABB – que fornece dados em tempo real sobre status e desempenho do robô de qualquer local.

Planos Futuros

A missão contínua da HPM inclui melhorar suas operações com automação robótica.

"Esperamos crescer 10% ao ano no futuro previsível, e devemos fazer o que pudermos para permanecer competitivos", disse Owens. "Estamos analisando quais peças de transmissão poderemos fabricar para veículos elétricos, e miramos em penetrar segmentos não automotivos como equipamentos pesados, onde metal em pó pode substituir peças feitas de outros materiais a um custo menor."

"Certamente antecipo que o ritmo de instalações de robôs permanecerá estável ou até aumentará", disse Owens.

Para informações sobre Hitachi Powdered Metals (USA) Inc., visite www.hitachi-pm.us ou ligue 812-663-5058. Para informações sobre CIM Systems Inc., visite www.cimrobotics.com ou ligue 317-773-5600. Para informações da ABB Robotics, visite www.abb.com/robotics ou ligue 248-391-9000.